EP3707796B1 - Dispositif de protection différentielle avec filtrage de la porteuse du signal d'excitation - Google Patents

Dispositif de protection différentielle avec filtrage de la porteuse du signal d'excitation Download PDF

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EP3707796B1
EP3707796B1 EP18785652.1A EP18785652A EP3707796B1 EP 3707796 B1 EP3707796 B1 EP 3707796B1 EP 18785652 A EP18785652 A EP 18785652A EP 3707796 B1 EP3707796 B1 EP 3707796B1
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EP
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signal
circuit
modules
frequency
module
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EP18785652.1A
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EP3707796A1 (fr
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Patrice Joyeux
Bastien DOLISY
Michel Schneider
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Hager Electro SAS
Original Assignee
Hager Electro SAS
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/26Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents
    • H02H3/32Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors
    • H02H3/325Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors involving voltage comparison
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/26Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents
    • H02H3/32Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors
    • H02H3/34Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors of a three-phase system

Definitions

  • the present invention relates to equipment and systems for the safety of goods and persons in the electrical field, more particularly residual differential current (or RCD) personal protection devices, and relates to a differential protection device exploiting a signal of filtered default.
  • RCD residual differential current
  • Differential protection devices are commonly integrated in domestic or tertiary electrical installations, upstream or at the input of the various tree structures of the power supply circuits in place, or even as close as possible to the receivers to which they are respectively assigned.
  • these electrical installations are supplied by an alternating electrical network, and protection devices of the aforementioned type are intended primarily to ensure the safety of persons by detecting as quickly as possible any possible leakage to earth in one of the circuits or receivers to protect.
  • Such leaks are for example caused by direct contact of subjects with an uninsulated conductor or indirect contact due to ground faults.
  • These electrical incidents are likely to generate accidents, sometimes fatal, damage to equipment(s), fires, localized or generalized or similar malfunctions.
  • the conductors of the circuit to be protected For the detection of alternating fault currents, the conductors of the circuit to be protected, or the conductors of the network or of the supply line of this circuit, pass through a core of ferromagnetic material of a transformer, the aforementioned conductors of which form the primary. and which comprises one or more secondary winding(s) or winding(s).
  • the toroid plays the role of a magnetic flux concentrator.
  • Another known detection principle consists in using a voltage transformer (for example a toroid) equipped with a primary (excitation winding) applying a fixed voltage and a secondary (measuring winding) having a variable transformation ratio, the value of the latter depending on the intensity of the fault current which crosses the toroid and which results from the algebraic sum of the incoming and outgoing currents.
  • a voltage transformer for example a toroid
  • a primary winding applying a fixed voltage
  • a secondary winding having a variable transformation ratio
  • the fault signal is used to control directly, or through dedicated electronics (signal processing stages), an actuator or the like (for example of the type relay).
  • the latter in turn controls an associated tripping, breaking or opening mechanism, or those of other protection devices in the installation.
  • These devices or differential protection devices may have variable characteristics. Thus, they are differentiable and characterized by their own sensitivity, which depends in particular on the type of electrical installation in which they are used and which they are intended to protect. Furthermore, some of these devices are only capable of detecting leaks for alternating currents (AC type) or only for direct currents, while others, which are more complete, offer solutions that can also be applied to pulsed direct current (types A and F) and smoothed (type B).
  • AC type alternating currents
  • D smoothed
  • the upper detection frequency limit constitutes another criterion for distinguishing between the different types: frequencies up to a few tens of Hz: AC; frequencies up to 1kHz: F-type; frequencies up to 1kHz: type B; frequencies up to 20kHz: type B+.
  • the current peaks passing through the measurement toroid are analyzed to perform selective tripping.
  • the voltage of the toroid is measured and its peak value is detected, which is then compared with a trigger threshold value.
  • the devices implemented in an electrical installation, of at least continuous fault currents, generally have a basic construction and components similar functionalities.
  • such a known device typically comprises at least one detection and control module which is functionally active or operational for frequencies of the fault signal from 0Hz to a few tens of Hz.
  • module is powered by the network and comprises, on the one hand, a measurement toroid made of a ferromagnetic material through which the aforementioned conductors pass, and on the other hand, a toroid excitation circuit comprising an AC signal generator producing a periodic carrier , and, finally, a measurement winding able and intended to generate a fault signal resulting from the appearance of a differential fault at the level of the network.
  • This measurement winding is connected to circuits for processing and evaluating the fault signal and for transmitting a control signal for a cut-off or opening means, also forming part of the differential protection device, the circuits aforesaid being arranged to form an operational electronic chain belonging to the detection and control module.
  • stray AC currents are superimposed on the excitation signal and therefore distort the conditions and the DC tripping threshold: in fact, they lead to overmodulation of the excitation signal.
  • These disturbing AC currents can, for example, come from a chopping operation (for example in connection with an inverter or a variable speed drive), or from network harmonics.
  • At least two harmful phenomena can result from the situation mentioned above, namely: a risk of exceeding the threshold of continuous cardiac fibrillation and a high risk of untimely, unjustified triggering.
  • WO 2017/093670A1 discloses a differential protection device having an operational chain comprising successively a signal processing circuit, an AC/DC conversion circuit, a filter circuit and a decision-making and control circuit.
  • the filter circuit is also not suitable for extracting from the fault signal a periodic carrier injected by an excitation circuit in the torus.
  • US 2004/145841 A1 discloses a differential protection device having an operational chain connected to a secondary winding of a toroid, this chain comprising a low-pass filter circuit. However this filter is not the first circuit of the chain
  • the essential object of the present invention is to overcome the drawback indicated above and to avoid the aforementioned situation.
  • the subject of the invention is a differential protection device of the type mentioned above, allowing the detection of leakage current or fault in an electrical installation supplied either by at least two phase conductors of a network, or by at least one phase conductor of a network and by a neutral conductor of said network, device characterized in that said operational chain of said module comprises a filter circuit, of the low-pass or band-pass type, constituting the first circuit of said chain and processing the fault signal, or a derived signal directly dependent on the latter, to extract therefrom the signal component substantially corresponding to the excitation carrier.
  • the figures 1 to 3 , and partially figures 4 to 6 show a differential protection device 1 allowing the detection of leakage or fault currents in an electrical installation supplied either by at least two phase conductors of a network 2, 2', 2", or by at least one conductor of phase of a network 2, 2', 2" and by a neutral conductor N of said network.
  • This device 1 comprises at least one detection and control module 3 which is functionally active or operational for frequencies of the fault signal from 0Hz to a few tens of Hz, this module 3 being powered by the network.
  • Said module 3 comprises, on the one hand, a measuring core 4 made of a ferromagnetic material through which the aforementioned conductors 2, 2', 2", N pass, on the other hand, an excitation circuit 15 of the core 4 comprising a alternating signal generator 6 producing a periodic carrier SPE, and, finally, a measurement winding 5 able and intended to generate a fault signal SD resulting from the appearance of a differential fault at the level of the network, said measurement winding 5 being connected to circuits 7, 8, 9, 10 for processing and evaluating the fault signal SD and for transmitting (selective or conditional) a control signal SC for a cut-off or opening means 11, also forming part of the differential protection device 1, the aforementioned circuits 7 to 10 forming the components of an operational electronic chain 14 belonging to the module 3 for detection and control.
  • a measuring core 4 made of a ferromagnetic material through which the aforementioned conductors 2, 2', 2", N pass
  • an excitation circuit 15 of the core 4 comprising a alternating
  • the 2, 2', 2" N supply network can be: a three-phase network with 2, 2', 2" and N neutral; a 2, 2' and 2" three-phase network without neutral; a 2, 2' two-phase network or even a 2, N single-phase network (2, 2', 2": phase conductors / N: neutral).
  • said operational chain 14 of said module 3 comprises a filter circuit 9, of the low-pass or band-pass type, constituting the first circuit of said chain 14 and processing the fault signal SD, or a derived signal SD' directly dependent on the latter, to extract therefrom the signal component corresponding substantially to the excitation carrier SPE.
  • the filter circuit 9 can be of the active or passive type, or even comprise active (for example operational amplifiers) and passive (resistors, capacitors, etc.) components. Many embodiments of filters suitable for the present application are known to those skilled in the art.
  • the invention it is therefore possible to precisely and reliably control the detection of a DC fault current even in the event of superposition of an AC component (for example linked to a chopping frequency of an inverter or switching power supply).
  • an AC component for example linked to a chopping frequency of an inverter or switching power supply.
  • the invention also makes it possible to guarantee that the bandwidth of the DC detection (module 3 on the figures 1 to 3 ) is always greater than the AC detection bandwidth (3' module on the figures 1 to 3 ) beyond point PI (cf. figures 8 and 9 ).
  • the circuits 7 to 10 of the operational chain 14 of the module 3 also comprise, on the one hand, at least one circuit 7 supplying an SVMR signal corresponding to the value rectified mean of the fault signal SD, or of the derived signal SD' directly dependent on the latter, and, on the other hand, a circuit 8 comparing said rectified mean signal SVMR with a threshold value and conditionally or selectively delivering a control signal SC means 11 of cut or open, depending on the result of said comparison.
  • the figure 7 illustrates an example of a possible embodiment of an averaging rectifier circuit 7.
  • circuits 7, of a passive nature such as a diode bridge, can also be envisaged.
  • the excitation circuit 15 can also comprise at least one resistor 12 mounted in series with the generator 6 of the periodic excitation carrier SPE, said excitation signal SPE being applied to the torus 4 through either measurement winding 5 in series with said resistor 12, or a separate additional winding 5', in series with said resistance 12 and forming the primary winding with respect to measurement winding 5.
  • resistor 12 By providing such a resistor 12, it is possible, by adjusting its value, to produce with the same measurement toroid 4 a module 3 with a variable trigger sensitivity, for example between 30 mA and 500 mA approximately.
  • the operational chain 14 of said module 3 also comprises a subtractor circuit 10 connected between the rectifier and averaging circuit 7, on the one hand, and the comparator circuit 8 and conditional supplier of the control signal SC, on the other hand.
  • a resistor 12 may be connected in series with the measurement winding 5 and for the filter circuit 9 of the detection and control module 3 to then be supplied by a derived signal SD', taken from the terminals of said resistor 12.
  • the device 1 can also comprise a second detection and control module 3' which is functionally active or operational for frequencies of the fault signal from a few tens of Hz to at least 1 kHz, advantageously up to at least 20 kHz, and preferably up to at least 100 kHz, this second module 3' being autonomous in terms of power supply, and in particular not dependent on the network or mains voltage and conditionally delivering its own signal SC' for controlling the means 11 for cutting or opening.
  • a second detection and control module 3' which is functionally active or operational for frequencies of the fault signal from a few tens of Hz to at least 1 kHz, advantageously up to at least 20 kHz, and preferably up to at least 100 kHz, this second module 3' being autonomous in terms of power supply, and in particular not dependent on the network or mains voltage and conditionally delivering its own signal SC' for controlling the means 11 for cutting or opening.
  • This second module 3' is powered by the signals supplied by a measurement winding 5" forming the secondary winding of a second core 4' which comprises a primary winding formed by at least one of the conductors 2, 2', 2" d 'supply and possibly the neutral N.
  • a measurement winding 5" forming the secondary winding of a second core 4' which comprises a primary winding formed by at least one of the conductors 2, 2', 2" d 'supply and possibly the neutral N.
  • These two modules 3 and 3' are separated and arranged so as to constitute two detection channels, parallel and mutually independent, the frequency domains of operational functioning of the two modules 3 and 3 'above being preferably partially overlapping.
  • each of them advantageously has a preponderant operation with respect to the other (of the two modules 3', 3) on mutually complementary parts of the total frequency domain of fault currents covered by said device 1.
  • the two detection and control modules 3 and 3' are connected, at their output, via an OR circuit 13 to the single actuator, relay or cut-off or opening means 11 of the device 1, if necessary via a power stage 16.
  • the zone of overlap Z of the operational operating frequency domains of the two modules 3 and 3' is subdivided into two adjacent complementary frequency zones Z' and Z', in each of which one of the two modules 3, 3' respectively has a preponderant sensitivity and/or reactivity, the sensitivities and/or reactivities of said modules 3, 3' being adjusted in such a way that the value of the frequency of passage of a zone of preponderance to the other is at most equal to the value of the frequency of the monitored network, preferably lower than the latter.
  • the two frequency-complementary modules 3 and 3' are configured in such a way that their respective curves C and C', of variation of the current sensitivity as a function of the frequency, have a common point of intersection PI, the value of the frequency of this point PI being preferably lower, and at most equal to the value of the frequency of the monitored network or of the sector.
  • the module 3' can be of the AC/A, Hi/G or F type and comprise an operational chain comprising in particular a passband filter circuit, a quadrupler circuit, an energy storage circuit or component and, finally, a comparison circuit with a reference.
  • a device 1 comprising two modules 3 and 3' in parallel and in competition is for example known from the document WO 2017/093670 of the plaintiff.
  • the device according to the invention consists of a type B or B+ differential protection device comprising two independent detection modules 3 and 3' and operating in mutual competition.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)

Description

  • La présente invention concerne les équipements et systèmes de sécurité des biens et des personnes dans le domaine électrique, plus particulièrement les dispositifs de protection de personnes à courant différentiel résiduel (ou DDR), et a pour objet un dispositif de protection différentielle exploitant un signal de défaut filtré.
  • Les dispositifs de protection différentielle sont couramment intégrés dans des installations électriques domestiques ou tertiaires, en amont ou à l'entrée des diverses arborescences des circuits d'alimentation en place, voir au plus près des récepteurs auxquels ils sont respectivement affectés.
  • Typiquement, ces installations électriques sont alimentées par un réseau électrique alternatif, et des dispositifs de protection du type précité ont pour but d'assurer principalement la sécurité des personnes en détectant le plus rapidement possible toute fuite éventuelle vers la terre dans un des circuits ou récepteurs à protéger. De telles fuites sont par exemple causées par des contacts directs de sujets avec un conducteur non isolé ou des contacts indirects dus à des défauts de masse. Ces incidents électriques sont susceptibles de générer des accidents, parfois mortels, des détériorations de matériel(s), des départs d'incendie, des dysfonctionnements localisés ou généralisés ou analogues.
  • La protection différentielle, dans le contexte précité, s'effectue dans la plupart des cas d'une manière assez standardisée.
  • Pour la détection des courants de défaut alternatifs, les conducteurs du circuit à protéger, ou les conducteurs du réseau ou de la ligne d'alimentation de ce circuit, passent dans un tore de matériau ferromagnétique d'un transformateur dont les conducteurs précités forment le primaire et qui comporte un ou plusieurs enroulement(s) ou bobinage(s) secondaire(s). Le tore joue le rôle d'un concentrateur de flux magnétique. Ainsi en cas de fuite, se traduisant par un déséquilibre des courants d'entrée et de sortie dans les conducteurs des lignes à protéger, le flux créé dans le tore par ce déséquilibre au niveau du primaire, induit dans le bobinage secondaire une tension, constituant un signal de défaut.
  • Pour la détection des courants de défaut continus ou DC, il est par exemple connu d'exciter à saturation un tore magnétique doux, traversé par les conducteurs de la ligne ou du réseau, par un courant alternatif. Lors de l'apparition d'un courant de défaut DC dans les conducteurs, la symétrie de la saturation (sens positif/sens négatif) est rompue, la dissymétrie temporaire résultante étant proportionnelle au courant de défaut. Cette méthode dite "Fluxgate" peut ensuite prévoir d'exploiter directement le signal de défaut, ou son spectre fréquentiel.
  • Un autre principe de détection connu consiste à utiliser un transformateur de tension (par exemple un tore) doté d'un primaire (bobinage d'excitation) appliquant une tension fixe et un secondaire (bobinage de mesure) ayant un rapport de transformation variable, la valeur de ce dernier dépendant de l'intensité du courant de défaut qui traverse le tore et qui résulte de la somme algébrique des courants entrant et sortant.
  • Dans les deux types de détection de courants de défaut précités (alternatifs et continus), le signal de défaut est utilisé pour commander directement, ou à travers une électronique dédiée (étages de traitement des signaux), un actionneur ou analogue (par exemple de type relais). Ce dernier commande à son tour un mécanisme de déclenchement, de coupure ou d'ouverture associé, ou ceux d'autres appareils de protection de l'installation.
  • En lieu et place du tore précité, il peut aussi être prévu, en accord avec d'autres variantes connues de l'état de la technique, de mettre en œuvre d'autres types de capteurs ou de détecteurs aptes et destinés à générer un signal de défaut lorsqu'un défaut différentiel apparaît au niveau du réseau ou de l'installation surveillé(e).
  • Ces appareils ou dispositifs de protection différentielle peuvent présenter des caractéristiques variables. Ainsi, ils sont différentiables et caractérisés par leur sensibilité propre, qui dépend notamment du type d'installation électrique dans laquelle ils sont utilisés et qu'ils sont destinés à protéger. Par ailleurs, certains de ces appareils ne sont capables de détecter des fuites que pour des courants alternatifs (type AC) ou que pour des courants continus, alors que d'autres, plus complets, offrent des solutions également applicables au courant continu pulsé (types A et F) et lissé (type B).
  • Par ailleurs, pour les dispositifs ayant la capacité de détecter des courants de défaut alternatifs, la fréquence limite supérieure de détection constitue un autre critère de distinction entre les différents types : fréquences jusqu'à quelques dizaines de Hz : AC ; fréquences jusqu'à 1kHz : type F ; fréquences jusqu'à 1kHz : type B ; fréquences jusqu'à 20kHz : type B+.
  • Concernant plus particulièrement la détection des courants de défauts continus (DC), et notamment leur évaluation pour la détermination de l'occurrence ou non de conditions de déclenchement ou de coupure, plusieurs solutions techniques différentes sont actuellement mises en œuvre, qui toutes présentent des inconvénients notables.
  • En accord avec une première solution connue, on analyse les pics de courant traversant le tore de mesure pour réaliser le déclenchement sélectif.
  • En accord avec une seconde solution connue, on mesure la tension du tore et on détecte sa valeur crête, qui est ensuite comparée à une valeur seuil de déclenchement.
  • Dans les deux solutions précitées, ainsi que dans les autres solutions de protection différentielle connues les plus répandues pour la détection, dans une installation électrique, des courants de défaut continus au moins, les dispositifs mis en œuvre présentent généralement une construction de base et des composantes fonctionnelles similaires.
  • En effet, un tel dispositif connu, en relation avec les deux solutions précitées notamment, comprend typiquement au moins un module de détection et de commande qui est fonctionnellement actif ou opérationnel pour des fréquences du signal de défaut de 0Hz à quelques dizaines de Hz. Ce module est alimenté par le réseau et comprend, d'une part, un tore de mesure en un matériau ferromagnétique traversé par les conducteurs précités, d'autre part, un circuit d'excitation du tore comportant un générateur de signaux alternatifs produisant une porteuse périodique, et, enfin, un enroulement de mesure apte et destiné à générer un signal de défaut résultant de l'apparition d'un défaut différentiel au niveau du réseau. Cet enroulement de mesure est relié à des circuits de traitement et d'évaluation du signal de défaut et d'émission d'un signal de commande pour un moyen de coupure ou d'ouverture, faisant également partie du dispositif de protection différentielle, les circuits précités étant arrangés pour former une chaîne électronique opérationnelle appartenant au module de détection et de commande.
  • Dans certaines applications, des courants AC parasites se superposent au signal d'excitation et faussent par conséquent les conditions et le seuil de déclenchement DC : ils entraînent en effet une surmodulation du signal d'excitation. Ces courants AC perturbateurs peuvent, par exemple, provenir d'une opération de découpage (par exemple en relation avec un onduleur ou un variateur de vitesse), ou des harmoniques du réseau.
  • Au moins deux phénomènes néfastes peuvent résulter de la situation évoquée ci-dessus, à savoir : un risque de dépassement du seuil de fibrillation cardiaque en continu et un risque élevé de déclenchement intempestif, non justifié.
  • WO 2017/093670A1 divulgue un dispositif de protection différentielle présentant un chaîne opérationnelle comprenant successivement un circuit de traitement du signal, un circuit de conversion AC/DC, un circuit de filtrage et un circuit de prise de décision et de commande. Le circuit de filtrage n'est pas non plus adapté pour extraire du signal de défaut une porteuse périodique injectée par un circuit d'excitation dans le tore.
  • US 2004/145841 A1 divulgue un dispositif de protection différentielle présentant chaîne opérationnelle reliée à un enroulement secondaire d'un tore, cette chaîne comportant un circuit de filtrage passe-bas. Toutefois ce filtre n'est pas le premier circuit de la chaîne
  • La présente invention a pour but essentiel de surmonter l'inconvénient indiqué ci-dessus et d'éviter la situation précitée.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de protection différentielle du type évoqué précédemment, permettant la détection de courant de fuite ou de défaut dans une installation électrique alimentée soit par au moins deux conducteurs de phase d'un réseau, soit par au moins un conducteur de phase d'un réseau et par un conducteur de neutre dudit réseau, dispositif caractérisé en ce que ladite chaîne opérationnelle dudit module comprend un circuit de filtrage, du type passe-bas ou passe-bande, constituant le premier circuit de ladite chaîne et traitant le signal de défaut, ou un signal dérivé directement dépendant de ce dernier, pour en extraire la composante de signal correspondant sensiblement à la porteuse d'excitation.
  • L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisations préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :
    • les figures 1 à 3 sont des représentations schématiques de trois variantes de réalisation d'un dispositif de protection différentielle, du type B ou B+, comprenant un module de détection de courant de défaut DC et un module de détection de courant de défaut AC ;
    • les figures 4 à 6 sont des représentations schématiques partielles illustrant les modules de détection et de commande sensible aux courants de défaut DC (typiquement de 0 Hz à quelques dizaines de Hz) faisant partie des dispositifs des figures 1 à 3 respectivement ;
    • la figure 7 est une représentation électrique symbolique d'un exemple de circuit de filtrage pouvant faire partie d'un dispositif représenté sur l'une des figures 1 à 3 ;
    • les figures 8 et 9 sont des représentations graphiques (Courbes : seuil de déclenchement en mA en fonction de la fréquence) illustrant la variation de la sensibilité au déclenchement pour chacun des modules DC et AC (figure 8) et pour un dispositif tel que représenté sur les figures 1 à 3 (figure 9).
  • Les figures 1 à 3, et partiellement les figures 4 à 6, montrent un dispositif 1 de protection différentielle permettant la détection de courants de fuite ou de défaut dans une installation électrique alimentée soit par au moins deux conducteurs de phase d'un réseau 2, 2', 2", soit par au moins un conducteur de phase d'un réseau 2, 2', 2" et par un conducteur de neutre N dudit réseau.
  • Ce dispositif 1 comprend au moins un module 3 de détection et de commande qui est fonctionnellement actif ou opérationnel pour des fréquences du signal de défaut de 0Hz à quelques dizaines de Hz, ce module 3 étant alimenté par le réseau.
  • Ledit module 3 comprend, d'une part, un tore de mesure 4 en un matériau ferromagnétique traversé par les conducteurs précités 2, 2', 2", N, d'autre part, un circuit d'excitation 15 du tore 4 comportant un générateur de signaux alternatifs 6 produisant une porteuse périodique SPE, et, enfin, un enroulement de mesure 5 apte et destiné à générer un signal de défaut SD résultant de l'apparition d'un défaut différentiel au niveau du réseau, ledit enroulement de mesure 5 étant relié à des circuits 7, 8, 9, 10 de traitement et d'évaluation du signal de défaut SD et d'émission (sélective ou conditionnelle) d'un signal de commande SC pour un moyen 11 de coupure ou d'ouverture, faisant également partie du dispositif de protection différentielle 1, les circuits 7 à 10 précités formant les composantes d'une chaîne électronique opérationnelle 14 appartenant au module 3 de détection et de commande.
  • Le réseau d'alimentation 2, 2', 2", N peut être: un réseau triphasé avec neutre 2, 2', 2" et N ; un réseau triphasé sans neutre 2, 2' et 2" ; un réseau biphasé 2, 2' ou encore un réseau monophasé 2, N (2, 2', 2" : conducteurs de phase / N : neutre).
  • Conformément à l'invention, ladite chaîne opérationnelle 14 dudit module 3 comprend un circuit 9 de filtrage, du type passe-bas ou passe-bande, constituant le premier circuit de ladite chaîne 14 et traitant le signal de défaut SD, ou un signal dérivé SD' directement dépendant de ce dernier, pour en extraire la composante de signal correspondant sensiblement à la porteuse d'excitation SPE.
  • Le circuit de filtrage 9 peut être du type actif ou passif, ou encore comprendre des composants actifs (par exemple des amplificateurs opérationnels) et passifs (résistances, capacités, ...). De nombreuses réalisations de filtres convenant à la présente application sont connues de l'homme du métier.
  • Grâce à l'invention, il est donc possible de maîtriser précisément et fiablement la détection d'un courant de défaut DC même en cas de superposition d'une composante AC (par exemple liée à une fréquence de découpage d'un onduleur ou d'une alimentation à découpage). Ainsi, on peut dans ces cas également garantir la sécurité des biens et des personnes, tout en évitant des déclenchements non justifiés et simultanément la nécessité d'avoir à traiter une surmodulation du signal détecté.
  • De plus, l'invention permet aussi de garantir que la bande passante de la détection DC (module 3 sur les figures 1 à 3) soit toujours supérieure à la bande passante de la détection AC (module 3' sur les figures 1 à 3) au-delà du point PI (cf. figures 8 et 9).
  • En accord avec une caractéristique très avantageuse de l'invention, il est prévu que les circuits 7 à 10 de la chaîne opérationnelle 14 du module 3 comprennent également, d'une part, au moins un circuit 7 fournissant un signal SVMR correspondant à la valeur moyenne redressée du signal de défaut SD, ou du signal dérivé SD' directement dépendant de ce dernier, et, d'autre part, un circuit 8 comparant ledit signal moyen redressé SVMR à une valeur seuil et délivrant conditionnellement ou sélectivement un signal de commande SC du moyen 11 de coupure ou d'ouverture, en fonction du résultat de ladite comparaison.
  • La figure 7 illustre un exemple de réalisation possible d'un circuit redresseur moyenneur 7.
  • D'autres types de circuits 7, de nature passive, tel qu'un pont de diodes, peuvent également être envisagés.
  • Grâce à cette caractéristique, simple à mettre en œuvre et autorisant l'exploitation de la tension moyenne redressée du signal de défaut, l'invention permet :
    • de disposer et d'exploiter une image directe du flux (ou de l'induction) magnétique à travers le tore (reflétant sensiblement l'état magnétique de celui-ci) ;
    • de linéariser la mesure de la composante continue du courant de défaut, et donc de pouvoir indiquer quantitativement, avec une gradation proportionnelle (série de diodes électroluminescentes), le niveau de courant différentiel mesuré ;
    • du fait de l'absence de non linéarité, de mieux maîtriser les niveaux de déclenchement (suppression de la nécessité d'un réglage).
  • Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le circuit d'excitation 15 peut également comprendre au moins une résistance 12 montée en série avec le générateur 6 de la porteuse périodique d'excitation SPE, ledit signal d'excitation SPE étant appliqué au tore 4 par le biais soit de l'enroulement de mesure 5 en série avec ladite résistance 12, soit d'un enroulement additionnel 5' distinct, en série avec ladite résistance 12 et formant enroulement primaire par rapport à l'enroulement de mesure 5.
  • En prévoyant une telle résistance 12, il est possible, en ajustant sa valeur, de réaliser avec un même tore de mesure 4 un module 3 avec une sensibilité de déclenchement variable, par exemple entre 30 mA et 500 mA environ.
  • Conformément à un premier mode de réalisation ressortant des figures 2 et 5, il est prévu, lorsque le circuit de filtrage 9 du module 3 de détection et de commande est relié directement aux bornes de l'enroulement de mesure 5' et que ce dernier sert à l'application du signal d'excitation périodique SPE par l'intermédiaire d'une résistance en série 12, que la chaîne opérationnelle 14 dudit module 3 comprenne également un circuit soustracteur 10 monté entre le circuit 7 redresseur et moyenneur, d'une part, et le circuit 8 comparateur et fournisseur conditionnel du signal de commande SC, d'autre part.
  • Conformément à un second mode de réalisation illustré à titre d'exemple aux figures 1, 3, 4 et 6, il peut être prévu qu'une résistance 12 soit montée en série avec l'enroulement de mesure 5 et que le circuit de filtrage 9 du module 3 de détection et de commande soit alors alimenté par un signal SD' dérivé, prélevé aux bornes de ladite résistance 12.
  • Dans ce second mode de réalisation, il est possible de s'affranchir du circuit soustracteur 10 (construction plus simple, plus compacte et moins onéreuse).
  • Afin de fournir un dispositif 1 opérationnel sur une plage de fréquences plus étendue, intégrant également les courants de défaut de fréquence plus élevée, le dispositif 1 peut comprendre également un second module 3' de détection et de commande qui est fonctionnellement actif ou opérationnel pour des fréquences du signal de défaut de quelques dizaines de Hz à au moins 1 kHz, avantageusement jusqu'à au moins 20 kHz, et préférentiellement jusqu'à au moins 100 kHz, ce second module 3' étant autonome en termes d'alimentation, et en particulier non dépendant de la tension du réseau ou du secteur et délivrant conditionnellement son propre signal SC' de commande du moyen 11 de coupure ou d'ouverture. Ce second module 3' est alimenté par les signaux fournis par un enroulement de mesure 5" formant enroulement secondaire d'un second tore 4' lequel comporte un enroulement primaire formé par l'un au moins des conducteurs 2, 2', 2" d'alimentation et éventuellement le neutre N. Ces deux modules 3 et 3' sont séparés et arrangés de manière à constituer deux voies de détection, parallèles et mutuellement indépendantes, les domaines fréquentiels de fonctionnement opérationnel des deux modules 3 et 3' précités étant préférentiellement partiellement chevauchants.
  • Afin de mettre en concurrence les deux modules 3 et 3', tout en exploitant leur complémentarité et en garantissant une détection unique et sans faille sur toute la plage de fréquences résultant de l'association des deux plages de fréquence propres aux deux modules 3 et 3', chacun d'entre eux présente avantageusement un fonctionnement prépondérant par rapport à l'autre (des deux modules 3', 3) sur des parties mutuellement complémentaires du domaine fréquentiel total de courants de défaut couvert par ledit dispositif 1.
  • Comme le montrent les figures 1 à 3, les deux modules de détection et de commande 3 et 3' sont reliés, à leur sortie, par l'intermédiaire d'un circuit OU 13 à l'unique actionneur, relais ou moyen de coupure ou d'ouverture 11 du dispositif 1, le cas échéant par l'intermédiaire d'un étage de puissance 16.
  • Avantageusement, la zone de chevauchement Z des domaines fréquentiels de fonctionnement opérationnel des deux modules 3 et 3' est subdivisée en deux zones fréquentielles complémentaires Z' et Z" adjacentes, dans chacune desquelles l'un des deux modules 3, 3' présente respectivement une sensibilité et/ou une réactivité prépondérante, les sensibilités et/ou réactivités desdits modules 3, 3' étant réglées de telle manière que la valeur de la fréquence de passage d'une zone de prépondérance à l'autre est au plus égale à la valeur de la fréquence du réseau surveillé, préférentiellement inférieure à cette dernière.
  • Préférentiellement, les deux modules 3 et 3' fréquentiellement complémentaires sont configurés de telle manière que leurs courbes respectives C et C', de variation de la sensibilité en courant en fonction de la fréquence, présentent un point commun d'intersection PI, la valeur de la fréquence de ce point PI étant préférentiellement inférieure, et au plus égale à la valeur de la fréquence du réseau surveillé ou du secteur.
  • Comme l'illustrent à titre d'exemples les figures 1 à 3, le module 3' peut être du type AC/A, Hi/G ou F et comprendre une chaîne opérationnelle comportant notamment un circuit de filtrage à bande passante, un circuit quadrupleur, un circuit ou composant de stockage d'énergie et, enfin, un circuit de comparaison avec une référence.
  • Un dispositif 1 comprenant deux modules 3 et 3' en parallèle et en concurrence est par exemple connu du document WO 2017/093670 de la demanderesse.
  • Préférentiellement, le dispositif selon l'invention consiste en un dispositif de protection différentielle du type B ou B+ comprenant deux modules de détection indépendants 3 et 3' et fonctionnant en concurrence mutuelle.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims (11)

  1. Dispositif (1) de protection différentielle permettant la détection de courant de fuite ou de défaut dans une installation électrique alimentée soit par au moins deux conducteurs de phase d'un réseau (2, 2', 2", N), soit par au moins un conducteur de phase d'un réseau (2, 2', 2") et par un conducteur de neutre (N) dudit réseau,
    ledit dispositif (1) comprenant au moins un module (3) de détection et de commande qui est fonctionnellement actif ou opérationnel pour des fréquences du signal de défaut de 0Hz à quelques dizaines de Hz, ce module (3) étant alimenté par le réseau,
    ce module (3) comprenant, d'une part, un tore de mesure (4) en un matériau ferromagnétique traversé par les conducteurs précités (2, 2', 2", N), d'autre part, un circuit (15) d'excitation du tore (4) comportant un générateur de signaux alternatifs (6) produisant une porteuse périodique (SPE), et, enfin, un enroulement de mesure (5) apte et destiné à générer un signal de défaut (SD) résultant de l'apparition d'un défaut différentiel au niveau du réseau, ledit enroulement de mesure (5) étant relié à des circuits (7, 8, 9, 10) de traitement et d'évaluation du signal de défaut (SD) et d'émission d'un signal de commande (SC) pour un moyen (11) de coupure ou d'ouverture, faisant également partie du dispositif de protection différentielle (1), les circuits (7 à 10) précités étant arrangés pour former une chaîne électronique opérationnelle (14) appartenant au module (3) de détection et de commande,
    dispositif (1) caractérisé
    en ce que ladite chaîne opérationnelle (14) dudit module (3) comprend un circuit (9) de filtrage, du type passe-bas ou passe-bande, constituant le premier circuit de ladite chaîne (14) et traitant le signal de défaut (SD), ou un signal dérivé (SD') directement dépendant de ce dernier, pour en extraire la composante de signal correspondant sensiblement à la porteuse d'excitation (SPE).
  2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les circuits (7 à 10) de la chaîne opérationnelle (14) du module (3) comprennent également, d'une part, au moins un circuit (7) fournissant un signal (SVMR) correspondant à la valeur moyenne redressée du signal de défaut (SD), ou du signal dérivé (SD') directement dépendant de ce dernier, et, d'autre part,
    un circuit (8) comparant ledit signal moyen redressé (SVMR) à une valeur seuil et délivrant conditionnellement ou sélectivement un signal de commande (SC) du moyen (11) de coupure ou d'ouverture, en fonction du résultat de ladite comparaison.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit d'excitation (15) comprend également au moins une résistance (12) montée en série avec le générateur (6) de la porteuse périodique d'excitation (SPE), ledit signal d'excitation (SPE) étant appliqué au tore (4) par le biais soit de l'enroulement de mesure (5) en série avec ladite résistance (12), soit d'un enroulement additionnel (5') distinct, en série avec ladite résistance (12) et formant enroulement primaire par rapport à l'enroulement de mesure (5).
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lorsque le circuit de filtrage (9) du module (3) de détection et de commande est relié directement aux bornes de l'enroulement de mesure (5') et que ce dernier sert à l'application du signal d'excitation périodique (SPE) par l'intermédiaire d'une résistance en série (12), la chaîne opérationnelle (14) dudit module (3) comprend également un circuit soustracteur (10) monté entre le circuit (7) redresseur et moyenneur, d'une part, et le circuit (8) comparateur et fournisseur conditionnel du signal de commande (SC), d'autre part.
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une résistance (12) est montée en série avec l'enroulement de mesure (5) et en ce que le circuit de filtrage (9) du module (3) de détection et de commande est alimenté par un signal (SD') dérivé, prélevé aux bornes de ladite résistance (12).
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend également un second module (3') de détection et de commande qui est fonctionnellement actif ou opérationnel pour des fréquences du signal de défaut de quelques dizaines de Hz à au moins 1 kHz, avantageusement jusqu'à au moins 20 kHz, et préférentiellement jusqu'à au moins 100 kHz, ce second module (3') étant autonome en termes d'alimentation, et en particulier non dépendant de la tension du réseau ou du secteur et délivrant conditionnellement son propre signal (SC') de commande du moyen (11) de coupure ou d'ouverture, en ce que ledit second module (3') est alimenté par les signaux fournis par un enroulement de mesure (5") formant enroulement secondaire d'un second tore (4') lequel comporte un enroulement primaire formé par l'un au moins des conducteurs (2, 2', 2") d'alimentation et éventuellement le neutre (N), et en ce que les deux modules (3 et 3') sont séparés et arrangés de manière à constituer deux voies de détection, parallèles et mutuellement indépendantes, les domaines fréquentiels de fonctionnement opérationnel des deux modules (3 et 3') précités étant préférentiellement partiellement chevauchants.
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun des modules (3 et 3') présente un fonctionnement prépondérant par rapport à l'autre des deux modules (3', 3) sur des parties mutuellement complémentaires du domaine fréquentiel total de courants de défaut couvert par ledit dispositif (1).
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les deux modules de détection et de commande (3 et 3') sont reliés, à leur sortie, par l'intermédiaire d'un circuit OU (13) à l'unique actionneur, relais ou moyen de coupure ou d'ouverture (11) du dispositif (1).
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la zone de chevauchement (Z) des domaines fréquentiels de fonctionnement opérationnel des deux modules (3 et 3') est subdivisée en deux zones fréquentielles complémentaires (Z' et Z") adjacentes, dans chacune desquelles l'un des deux modules (3, 3') présente respectivement une sensibilité et/ou une réactivité prépondérante, les sensibilités et/ou réactivités desdits modules (3, 3') étant réglées de telle manière que la valeur de la fréquence de passage d'une zone de prépondérance à l'autre est au plus égale à la valeur de la fréquence du réseau surveillé, préférentiellement inférieure à cette dernière.
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les deux modules (3 et 3') fréquentiellement complémentaires sont configurés de telle manière que leurs courbes respectives (C et C'), de variation de la sensibilité en courant en fonction de la fréquence, présentent un point commun d'intersection (PI), la valeur de la fréquence de ce point (PI) étant préférentiellement inférieure, et au plus égale à la valeur de la fréquence du réseau surveillé ou du secteur.
  11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste en un dispositif de protection différentielle du type B ou B+ comprenant deux modules de détection indépendants (3 et 3') et fonctionnant en concurrence mutuelle.
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